CN114109358A - 一种深海油田井口防喷器应急声呐监控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种深海油田井口防喷器应急声呐监控系统，包括安装在井口应急封井装置(3)上的水下单元(1)和放置在水面平台(4)上的甲板单元(2)，水下单元(1)和甲板单元(2)协同工作用于实现用户指令的远程水声遥控以及井口状态参数的实时水声遥测，所述水下单元(1)与所述甲板单元(2)是通过水声编码通信方式实现远程水声遥控及实时水声遥测。本发明结构简单、设计新颖合理以及操作简易，受控完成水下井口传感数据的及时水声遥控，定时完成水下状态参数的实时水声遥测，并具备深海现场光控可视仪表实时显示、内外电池自动切换等功能，具备更好的冗余性和可靠性。

Description

一种深海油田井口防喷器应急声呐监控系统及方法

技术领域

本发明涉及一种监控系统及方法，具体的是涉及一种深海油田井口防喷器应急声呐监控系统及方法，主要是用于对深海油田井口应急和安全控制，属于深海水声遥测与遥控技术领域。

背景技术

通常来说，APIRP17W(美国石油协会规范-用于钻井控制设备的控制系统规范)中规定水下防喷器系统必须配备紧急备用控制系统确保钻井平台的安全性。水下防喷器紧急备用控制系统也称为水下防喷器应急安全控制系统，是一种应对海洋钻井突发状况的二级干预系统。该系统不同于抢险所用的应急封堵装置(Capping Stack)，两者使用阶段不同。水下防喷器紧急备用控制系统主要用于水下防喷器主控系统失效后，未发生井喷前或发生井喷初期时，是保证海洋井控安全的最后一道屏障；应急封堵装置是在主控系统与紧急备用控制系统全部失效且井喷事故发生后抢险使用。

水下防喷器是半潜式钻井平台保证钻井作业安全的最关键设备之一，主要作用是在发生溢流、井涌、井喷时控制井口压力，在遇到台风等紧急情况下钻井装置撤离时关闭井口，保证人员、设备安全，避免海洋环境污染和油气资源破坏。深海钻井平台如发生井喷，人员救援及设备抢修异常困难，所带来的环境污染和经济损失更是无法估量。因此，保证防喷器的正常运行在海上石油勘探开发过程中显得非常重要。

当前，国内外大多半潜式钻井平台建造于20世纪80～90年代，平台配备的防喷器组合控制系统历经多次大修，大多存在设备老化、控制系统性能下降，缺乏有效二级干预手段遏制井喷事故等诸多安全隐患。我国深海油气开发起步较晚，水下防喷器紧急备用控制系统研制与使用远落后于国际水平。国内大多数老旧钻井平台基本不配置或配备很少的紧急备用控制系统，国内主要半潜式钻井平台水下防喷器紧急备用控制系统配备情况见表1所示。

表1为国内主要半潜式钻井平台水下防喷器紧急备用控制系统情况表

由表1可见，国内大多数钻井平台未配备声呐控制系统，其市场需求较大。目前，广泛使用的水下防喷器紧急备用控制系统主要包括：自动停机系统(Deadman)、自动模式功能(AMF)、自动剪切系统(Autoshear)、声呐控制系统(Acoustic Control System)、ROV操控系统，以及紧急脱断系统(EDS) 等。其中声呐控制系统是完全独立于防喷器主控系统的紧急备用控制系统，当主控系统失效时仍可有效控制防喷器系统的关键功能，剪切钻杆并密封井筒压力，避免重大事故的发生。

由于，水下防喷器及控制系统的研制难度较大、风险高，国内在该领域的研究起步较晚。因此，当前海上钻井平台的防喷器应急声呐控制系统均为国外产品，我国水下防喷器应急声呐控制系统的研究落后于国际先进水平。国外主要有挪威Kongsberg、英国Sonardyne、美国Nautronix等公司提供相应产品，并占有全球市场大部分份额。国内半潜式海洋钻井平台“海洋石油981”配备的是Kongsberg公司的ACS433应急声呐控制系统。国内相关研制信息较少，目前，河北华北石油荣盛机械制造有限公司，在多年生产研制基础上，正在开展相关课题研究。

另外，由于海上钻井平台在工作情况下，其振动等噪声等干扰较为严重，对水声遥测信号会造成一定的影响，甚至降低水声遥测的可靠性和测量精度

由此可见，海洋钻井平台(特别是深海钻井平台)的应急声呐控制系统需求明显且紧迫。国外拥有较为先进的技术和成熟产品，国内相关技术研究较为滞后，研制单位极少，亦未见配套工程产品。另外，国外应急声呐控制系统主要用于控制，部分产品具备回路测试功能(如美国Nautronix公司的 NASeBOP系统)，对井口状态参数的实时监视与测量功能支持不够，甚至无法对用户平台或平台附近使用时的井口状态信息进行实时监测。

随着深海石油开发与环境保护相关规范的不断完善，国外陆续出现了电池驱动水下井口关闭系统，以及ROV可读水下显示仪表等新型紧急备用水下防喷器控制系统。国内在水下防喷器紧急备用控制系统的整体设计和阀件制造上取得了一定进展，但与国外相比仍较为落后。因此，水下钻井信息的实时监测与可靠遥控成为了当前海洋钻井平台急需解决的关键问题。

因此，需研制一种实用性较强以及工作可靠性较高的深海油田井口防喷器应急声呐监控系统及方法是解决上述技术问题的关键所在。

发明内容

针对上述背景技术中存在的诸多缺陷与不足，本发明对此进行了改进和创新，目的在于提供一种本发明结构简单、设计新颖合理以及操作简易，受控完成水下井口传感数据的及时水声遥控，定时完成水下状态参数的实时水声遥测，并具备深海现场光控可视仪表实时显示、内外电池自动切换等功能，具备更好的冗余性和可靠性。

本发明另一个发明目的是在甲板单元及水下单元的水声换能器阵上采用多元阵列结构，在水声遥测信道上形成一定的波束，降低环境干扰，提高水声遥测的信噪比，再次提高系统水声遥测精度及可靠性，同时，结合水声信号的编码信息进行遥测与遥控的再次联合区分，确保全双工功能的可靠实现。

本发明的还一个发明目的是在当前国外产品主导市场现状下，采用声学时频编码遥测遥控结合综合分集处理等相关技术，在国际通用声学频段内，并与国外产品安装结构一致等限制条件下，不仅可实现应急控制指令的远程实时遥控，还可对水下井口状态参数进行实时水声监测与图表化显示，为海洋钻井井喷失控应急抢险作业提供关键参数的可视化监控提供技术手段。

为解决上述问题并达到上述的发明目的，本发明一种深海油田井口防喷器应急声呐监控系统及方法是通过采用下列的设计结构以及采用下列的技术方案来实现的：

一种深海油田井口防喷器应急声呐监控系统，包括安装在井口应急封井装置(3)上的水下单元(1)和放置在水面平台(4)上的甲板单元(2)，水下单元(1)和甲板单元(2)协同工作用于实现用户指令的远程水声遥控以及井口状态参数的实时水声遥测，所述水下单元(1)与所述甲板单元(2)是通过水声编码通信方式实现远程水声遥控及实时水声遥测的；其中，所述水下单元(1) 包括集成设置于声呐电子舱(5)内且通过导线信号连接的水下换能器阵(10)、信号处理机构、井口传感器(15)、水下可读仪表(16)、深度传感器(17)、内部电池(18)和水下电池(19)，其中，水下换能器阵(10)和水下可读仪表(16) 以及水下电池(19)通过水密连接缆与声呐电子舱(5)一边端盖连接，声呐电子舱(5)另一边端盖通过水密连接缆与井口传感器(15)和深度传感器(17) 进行水密连接；所述水下换能器阵(10)用于负责水声信号的接收和发射；信号处理机构用于负责水声信号的分析处理。

作为本发明上述的另一个优选的技术方案，所述甲板单元(2)包括水面换能器阵(20)、水面前置放大器(21)、水面模拟处理器(22)、水面数字处理器(23)、控制机(24)、水面编码发射机(25)、数据融合显控软件模块(26)、外部接口(27)、甲板控制机(28)以及收放机构(29)，其中，甲板单元(2)安装在水面平台(4)上，收放机构(29)通过水密承重电缆一端连接水面换能器水密舱(6)，水密承重电缆另一端连接便携式甲板安全箱(7)进行显示与控制；

所述信号处理机构包括水下换能器阵(10)、前置放大器(11)、模拟处理器(12)和数字处理器(13)以及编码发射机(14)，其中，水下换能器阵(10) 接收端通过水密连接缆与前置放大器(11)输入端连接，前置放大器(11)输出端线缆连接模拟处理器(12)输入端，模拟处理器(12)输出端与数字处理器(13)输入端连接，数字处理器(13)输出端与编码发射机(14)输入端连接，编码发射机(14)输出端连接水下换能器阵(10)发射端。

作为本发明上述优选的技术方案，所述水面数字信号处理机构包括水面换能器阵(20)、水面前置放大器(21)、水面模拟处理器器(22)、水面数字处理器(23)、控制机(24)、水面编码发射机(25)、数据融合显控软件模块(26)、外部接口(27)和甲板控制机(28)以及收放机构(29)，其中，

水面换能器阵(20)接收端经水密连接缆与水面前置放大器(21)输入端连接，水面前置放大器(21)输出端与水面模拟处理器器(22)输入端通过线缆连接，水面模拟处理器器(22)输出端与水面数字处理器(23)输入端连接，水面数字处理器(23)输出端与控制机(24)连接，控制机(24)通过数据融合显控软件模块(26)和外部接口(27)与甲板控制机(28)相连，进行用户终端显控，控制机(24)通过线缆与水面编码发射机(25)输入端连接，将用户指令编码通过水面编码发射机(25)生成编码模拟信号传至水面换能器阵(20) 发射端进行声信号发送。收放机构(29)绕接承重水密连接缆与水面换能器阵 (20)相连接，负责水面换能器阵(20)的海面布放。

作为本发明上述的进一步优选的技术方案，所述水面换能器阵(20)、水面前置放大器(21)、水面模拟处理器器(22)、水面数字处理器(23)、控制机(24)和水面编码发射机(25)集成安装在水面换能器水密舱(6) 内，数据融合显控软件模块(26)和外部接口(27)以及甲板控制机(28) 集成在便携式甲板安全箱(7)内，水下换能器阵(10)和水面换能器阵(20) 均为收发分置结构，同时可进行发射和接收；收放机构(29)为独立机构。

作为本发明上述的还进一步优选的技术方案，所述水下单元(1) 采用电池供电方式；所述水下换能器阵(10)为冗余热备份结构水和深海耐压组合结构，总数量设置为两个，两个水下换能器阵(10)分别安装在水下应急封井装置的左右支架上，且内部采用充油式镶拼环换能器，采用两个接收加两个发射的结构兼顾全双工收发功能；所述水下换能器阵(10)、井口传感器(15)、水下可读仪表(16)、深度传感器(17)和水下电池(19)均为独立结构。

作为本发明上述的还又再更进一步优选的技术方案，所述水下单元(1)上还安装有深海可视仪表，深海可视仪表用于应急处理时，ROV水下现场观察井口工作状态，读取相关数据，及时操控；在水下单元(1)外表面上均从内至外依序喷涂有注塑层和防锈层以及防水层；在甲板单元(2) 的外表面上均从内至外依序喷涂有注塑层和防锈层以及警示层，警示层上涂有荧光粉。

作为本发明上述的还又再更加进一步优选的技术方案，所述甲板单元(2)采用AC220V供电方式；

且所述甲板单元(2)采用电缆连接吊放方式进行使用时布放至水下，布放深度需超过平台吃水深度，通过承重电缆将水面换能器阵(20)与后续相关处理设备相连接，用户可直接在信号处理设备箱内的数据融合显控软件模块(26)上对水下单元进行操控，进行井口数据采集与水声遥测，应急封井装置控制端开关量输出回路控制操作，且数据融合显控软件模块(26)上实时显示水声遥测的井口深度、温度、压力等信息，并可将相关测试信息进行图表化显示。

作为本发明上述的还又再更加进一步优选的技术方案，所述远程水声遥控的方法包括如下步骤：

S1，系统水下单元(1)安装布放至井口，并且甲板单元(2)布放完成后，开启功能自检，即水下单元(1)与甲板单元(2)进行互联通讯，自检结束且正常后，用户操控甲板单元(2)的数据融合显控软件模块(26)进行指令信息传送操作；

S2，用户指令的数字信息通过串口实时传送至控制机(24)，控制机(24) 实时采集当前GPS/北斗等外设信息融合后综合编码发送至水面编码发射机(25)，水面编码发射机(25)生成用户指令及相关信息的声学模拟信号，通过功率放大后将上述编码模拟信号加载至水面换能器阵(20)的发射换能器端转成声学信号发射至水下；

S3，水下单元(1)的水下换能器阵(10)接收到甲板单元(2)发射的用户指令编码信号，经前置放大器(11)、模拟处理器(12)后形成整形、滤波和调整后模拟信号；

S4，上述模拟信号传送至水下单元(1)的数字处理器(13)，经过A/D采集、频谱分析和互相关处理等计算后，解调甲板单元(2)发射的用户指令信息，确认后执行相关控制操作，对应编码信息进行井口电磁阀DO回路端口的相应控制；

S5，控制完成后，检测井口工作状态数据，并将状态信息编码发射出去，给甲板单元(2)进行应答，完成本次水声遥控操作。

作为本发明上述的还又再更加进一步优选的技术方案，所述实时水声遥测的方法包括如下步骤：

A1，水下单元(1)的数字处理器(13)按照设定的周期，且通过采用数字堆栈技术，其定时遥测周期最小可设置为1s，采集井口传感器(15)、深度传感器(17)的当前参数信息，将上述参数信息进行数字化处理形成当前状态参数数字流；

A2，数字处理器(13)将上述数字流加入约定的编码结构，以及相应的校验码，生成综合编码模拟信号，并将该模拟信号传送至水下换能器阵(10)的发射换能器端，经功率放大后形成水声信号发射至水中；

A3，甲板单元(2)通过吊放的水面换能器阵(20)内接收换能器实时接收到水下单元(1)发射的编码声信号，同样经水面前置放大器(21)、水面模拟处理器器(22)、水面数字处理器(23)后，解码获得井口当前状态信息；

A4，水面数字处理器(23)将经过解调和初步滤波等处理后的数字信息传送至控制机(24)，控制机融合外设数据再次处理后在数据融合显控软件模块(26) 端进行图形化显示，完成本次水声遥测。

作为本发明上述的还又再更加进一步优选的技术方案，一种深海油田井口防喷器应急声呐监控方法，该监控方法包括如下步骤：

步骤一，将水下单元(1)固定安装在深海井口应急封井装置(3)上，并通过水密连接缆与对应的封井装置传感器、受控组件设备相连接，水下单元(1) 随深海井口应急封井装置(3)一同布放至深海井口；

步骤二，在平台上，利用收放机构(29)将甲板单元(2)的水面换能器阵(20)吊放至水下约25m及以下且大于平台吃水深度，通过数据融合显控软件模块(26)进行井口状态参数实时显示，以及用户指令的实时传输；

步骤三，待测控工作至完成后，通过收放机构(29)回收甲板单元(2) 的水面换能器阵(20)及相关设备，完成本次工作；

所述监控方法采用基于应答式的水声遥测与遥控方式，结合时频编码与综合分集技术实现深海井口工作参数的实时遥测，以及用户指令的及时遥控。

本发明与现有技术相比所产生的有益效果是：

1、本发明采用多阵元换能器阵结构，结合水声信号时频编码加综合分集等信号处理技术，切实解决在深远海水声信道及水下钻井平台特有噪声等声信号干扰问题，确保系统现场适应性及连续工作可靠性；

2、本发明与国际相关产品通用的水声工作频带、机械结构(含尺寸和安装形式等)相兼容，在上述基础上不仅将深海井口及时远程遥控接口数量扩展至24个(国际通用产品控制口数量最多为16个)，还增加水下井口工作参数的定时遥测功能，并且定时遥测周期最高可设为1s，可实现水下4000m 深度的井口参数实时水声遥测及遥控；

3、本发明针对海洋油气开发水下防喷器紧急备用声呐监控需求，以及国际相关标准(如美国石油协会(API)的API16系列规则、挪威船级社(DNV) 的Drilling Plant等)要求，开展水声遥测与遥控相关技术研究，解决复杂水声环境下的水声遥测与遥控、深海耐压及密封等关键技术，研制工程实用样机，并进行湖海试验测，实现深海4000米深度下井口工作参数(温度、压力、水深等)的实时测量，为海洋钻井井喷失控应急抢险作业提供关键参数的可视化监控手段；

4、本发明结构简单、设计新颖合理以及操作简易，受控完成水下井口传感数据的及时水声遥控，定时完成水下状态参数的实时水声遥测，并具备深海现场光控可视仪表实时显示、内外电池自动切换等功能，具备更好的冗余性和可靠性；

5、本发明在甲板单元及水下单元的水声换能器阵上采用多元阵列结构，在水声遥测信道上形成一定的波束，降低环境干扰，提高水声遥测的信噪比，再次提高系统水声遥测精度及可靠性，同时，结合水声信号的编码信息进行遥测与遥控的再次联合区分，确保全双工功能的可靠实现；

6、本发明在当前国外产品主导市场现状下，采用声学时频编码遥测遥控结合综合分集处理等相关技术，在国际通用声学频段内，并与国外产品安装结构一致等限制条件下，不仅可实现应急控制指令的远程实时遥控，还可对水下井口状态参数进行实时水声监测与图表化显示，为海洋钻井井喷失控应急抢险作业提供关键参数的可视化监控提供技术手段；

7、本发明的深海井口应急声呐监控方法主要是采用多阵元换能器阵结构，结合水声信号时频编码加综合分集等信号处理技术，实时将水下应急封井装置井口温度/压力等传感信息数据进行高精度编码(14bit)，利用水声遥测技术实时传输井口温度/压力传感器测量数据。同理，利用上述方法实现用户操控指令及时传送至水下井口，完成及时可靠的远程水声遥控操作；

8、本发明的外部上涂防锈层和防水层，因此可以防止生锈的同时也延长了整个装置的使用寿命，实现环保的同时也节省了资源，同时，在装置的外部涂有可以自发光的荧光材料，可以在夜间或者黑暗室内以及地下施工环境清楚地标示该放线装置的位置，能有效地起到安全提示的作用，提高醒目度，易于人们辨别，增加施工和生活中的安全性。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：

为了使本发明专利的内容更容易被清楚的理解，下面根据实施例子并结合附图，对本专利做进一步的说明，其中：

图1是本发明的系统工作示意图；

图2是本发明的系统原理结构框图；

图3是本发明的系统组成连接示意图

图4是本发明的水下单元(1)与应急封井装置(3)安装结构示意图；

图5是图4所示A位置的局部放大结构示意图；

图6是本发明B位置的局部放大结构示意图；

图7是本发明的甲板单元布放示意图

图8是本发明的数据融合显控软件模块主界面图

图9是本发明的系统电力单线图

图10是本发明的声信号时频编码示意图

图11是本发明的分集处理系统遥测误码率仿真曲线图

图12是本发明的电池切换原理图之一；

图13是本发明的电池切换原理图之二；

图14是本发明的水面换能器水密舱(6)部件的整体结构示意图；

图15是本发明的水下换能器阵(10)部件的整体结构示意图；

图16是本发明的水下电池(19)部件的整体结构示意图；

图17是本发明的便携式甲板安全箱(7)部件的整体结构示意图；

图18的本发明的工作原理流程框图；

其中，图中标号：1—水下单元，10—水下换能器阵，11—前置放大器， 12—模拟处理，13—数字处理器，14—编码发射机，15—井口传感器，16—水下可读仪表，17—深度传感器，18—内部电池，19—水下电池；

2—甲板单元，20—水面换能器阵，21—水面前置放大器，22—水面模拟处理器，23—水面数字处理器，24—控制机，25—水面编码发射机，26—数据融合显控软件模块，27—外部接口，28—甲板控制机，29—收放机构；

3—应急封井装置；

4—水面平台；

5—声呐电子舱；

6—水面换能器水密舱；

7—便携式甲板安全箱；

8—ROV。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创造特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图以及具体实施方式对本发明的技术方案作更进一步详细的说明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要说明的是，说明书附图中框图中的文字表述仅仅为部件名称的简短说明，具体以说明书内容为准。

如说明书附图所示的一种深海油田井口防喷器应急声呐监控系统，包括安装在井口应急封井装置(3)上的水下单元(1)和放置在水面平台(4)上的甲板单元(2)，水下单元(1)和甲板单元(2)协同工作用于实现用户指令的远程水声遥控以及井口状态参数的实时水声遥测，所述水下单元(1)与所述甲板单元(2)是通过水声编码通信方式实现远程水声遥控及实时水声遥测的；其中，所述水下单元(1)包括集成设置于声呐电子舱(5)内且通过导线信号连接的水下换能器阵(10)、信号处理机构、井口传感器(15)、水下可读仪表(16)、深度传感器(17)、内部电池(18)和水下电池(19)，其中，水下换能器阵(10) 和水下可读仪表(16)以及水下电池(19)通过水密连接缆与声呐电子舱(5) 一边端盖连接，声呐电子舱(5)另一边端盖通过水密连接缆与井口传感器(15) 和深度传感器(17)进行水密连接；所述水下换能器阵(10)用于负责水声信号的接收和发射；信号处理机构用于负责水声信号的分析处理。

在本发明中，按照数据流向分为输入和输出两个流程：1)输入部分为水下换能器阵(10)接收到的水声信号经前置放大器(11)初步放大后传送至模拟处理(12)进行模拟信号滤波调制后，传送至数字处理器(13)进行数/模转化后进行数字滤波、傅里叶变换、自相关、互相关等处理获得水声信号的解析内容完成当前次水声信号接收与解析，同时将结果数据传送至水下可读仪表(16) 进行显示。2)输出部分为数字处理器(13)通过线缆接入编码发射机(14)、井口传感器(15)、深度传感器(17)，实时读取当前相关传感数据，经过调制后生成水声编码数字信号，编码数字信号传送至编码发射机(14)后形成可发射的声学模拟信号，声学模拟信号传送至水下换能器阵(10)发送，最终通过水声环境传送至甲板单元(2)。内部电池(18)和水下电池(19)均用于水下单元(1)内部电子设备供电，其中内部电池(18)为水下电池(19)现场更换时临时供电使用。

如上所述，水下换能器阵(10)用于负责水声信号的接收和发射；前置放大器(11)、模拟处理(12)，分别用于接收水声信号的前置放大和模拟滤波等处理；数字处理器(13)用于负责水声信号的分析处理；编码发射机(14)用于发射信号的编码及功率放大输出；井口传感器(15)、和深度传感器(17)用于水下现场压力、深度等信息的传感测量；水下可读仪表(16)用于深海井口现场ROV设备的实时查看显示；内部电池(18)和水下电池(19)均用于水下单元(1)内部电子设备供电。

进一步的，甲板单元(2)包括水面换能器阵(20)、水面前置放大器(21)、水面模拟处理器(22)、水面数字处理器(23)、控制机(24)、水面编码发射机 (25)、数据融合显控软件模块(26)、外部接口(27)、甲板控制机(28)以及收放机构(29)，其中，甲板单元(2)安装在水面平台(4)上，收放机构(29) 通过水密承重电缆一端连接水面换能器水密舱(6)，水密承重电缆另一端连接便携式甲板安全箱(7)进行显示与控制；

所述信号处理机构包括水下换能器阵(10)、前置放大器(11)、模拟处理器(12)和数字处理器(13)以及编码发射机(14)，其中，水下换能器阵(10) 接收端通过水密连接缆与前置放大器(11)输入端连接，前置放大器(11)输出端线缆连接模拟处理器(12)输入端，模拟处理器(12)输出端与数字处理器(13)输入端连接，数字处理器(13)输出端与编码发射机(14)输入端连接，编码发射机(14)输出端连接水下换能器阵(10)发射端。

进一步的，水面数字信号处理机构包括水面换能器阵(20)、水面前置放大器(21)、水面模拟处理器器(22)、水面数字处理器(23)、控制机(24)、水面编码发射机(25)、数据融合显控软件模块(26)、外部接口(27)和甲板控制机(28)以及收放机构(29)，其中，

水面换能器阵(20)接收端经水密连接缆与水面前置放大器(21)输入端连接，水面前置放大器(21)输出端与水面模拟处理器器(22)输入端通过线缆连接，水面模拟处理器器(22)输出端与水面数字处理器(23)输入端连接，水面数字处理器(23)输出端与控制机(24)连接，控制机(24)通过数据融合显控软件模块(26)和外部接口(27)与甲板控制机(28)相连，进行用户终端显控，控制机(24)通过线缆与水面编码发射机(25)输入端连接，将用户指令编码通过水面编码发射机(25)生成编码模拟信号传至水面换能器阵(20) 发射端进行声信号发送。收放机构(29)绕接承重水密连接缆与水面换能器阵 (20)相连接，负责水面换能器阵(20)的海面布放。

在本发明中，输入水声模拟信号经前置放大器(11)、模拟处理器(12)处理后，传输至数字处理器(13)进行实时处理后至水下可读仪表(16)显示；同时深海井口现场传感测量结果经数字处理器(13)处理后，通过编码发射机 (14)转化为模拟编码信号经水下换能器阵(10)发射出去。其输入和输出可同时工作，属于通信领域的全双工模式。

在本发明中，按照信号流程分为输入和输出两部分：1)输入为水面换能器阵(20)接收信号经水面前置放大器(21)进行运算放大处理后，传至水面模拟处理器(22)进行模拟信号滤波调制，再传至水面数字处理器(23)进行模/ 数转换、傅里叶变换、互相关和功率谱分析等，结果数据传至控制机(24)，控制机结合当前信息(如GPS/北斗)转化数据后传至数据融合显控软件模块(26) 根据声学编解码算法进行综合解算，最后通过外部接口(27)传至加班控制机 (28)进行最终显示。2)输出为控制机(24)接收到用户通过甲板控制机(28)发送的指令，处理后数字信号传输至编码发射(25)进行数/模转换并功率放大，放大后的模拟信号传至水面换能器阵(20)，通过水声途径传输水声编码信号给水下单元(1)。

其中，输入水声信号经水面前置放大器(21)运算放大后，传输至水面模拟处理器器(22)进行模拟信号滤波调理，再传至水面数字处理器(23)进行模/数转化后进行傅里叶变换、频谱分析等相关处理，处理结果数据传至控制机 (24)进行综合处理，处理结果经数据融合显控软件模块(26)融合处理后，通过外部接口(27)传送至甲板控制机(28)进行图形化显示。输出是水面数字处理器(23)将用户指令通过甲板控制机(28)编码数字信号传至水面编码发射机(25)进行综合编码和功率放大后生成编码的水声模拟信号，通过水面换能器阵(20)发射至水声途径，最终传至给水下单元(1)。收放机构(29) 独立放置在甲板上，通过承重水密缆连接水面换能器阵(20)布放至水面下20m 左右深度，承重水密缆另一端连接至便携式甲板安全箱(7)。

具体的，水面换能器阵(20)、水面前置放大器(21)、水面模拟处理器器 (22)、水面数字处理器(23)、控制机(24)和水面编码发射机(25)集成安装在水面换能器水密舱(6)内，数据融合显控软件模块(26)和外部接口(27) 以及甲板控制机(28)集成在便携式甲板安全箱(7)内，水下换能器阵(10) 和水面换能器阵(20)均为收发分置结构，同时可进行发射和接收；收放机构 (29)为独立机构。

进一步的，水下单元(1)采用电池供电方式；所述水下换能器阵(10)为冗余热备份结构水和深海耐压组合结构，总数量设置为两个，两个水下换能器阵(10)分别安装在水下应急封井装置的左右支架上，且内部采用充油式镶拼环换能器，采用两个接收加两个发射的结构兼顾全双工收发功能；所述水下换能器阵(10)、井口传感器(15)、水下可读仪表(16)、深度传感器(17)和水下电池(19)均为独立结构。

进一步的，水下单元(1)上还安装有深海可视仪表，深海可视仪表用于应急处理时，ROV水下现场观察井口工作状态，读取相关数据，及时操控；在水下单元(1)外表面上均从内至外依序喷涂有注塑层和防锈层以及防水层；在甲板单元(2)的外表面上均从内至外依序喷涂有注塑层和防锈层以及警示层，警示层上涂有荧光粉。

具体的，甲板单元(2)采用AC220V供电方式；

且所述甲板单元(2)采用电缆连接吊放方式进行使用时布放至水下，布放深度需超过平台吃水深度，通过承重电缆将水面换能器阵(20)与后续相关处理设备相连接，用户可直接在信号处理设备箱内的数据融合显控软件模块(26)上对水下单元进行操控，进行井口数据采集与水声遥测，应急封井装置控制端开关量输出回路控制操作，且数据融合显控软件模块(26)上实时显示水声遥测的井口深度、温度、压力等信息，并可将相关测试信息进行图表化显示。

综上所述，本发明更为具体的实施方式是：

使用之前，将本发明一种深海油田井口防喷器应急声呐监控系统的主要技术指标定义为：

工作环境：海底4000m；

数据采集方式：双重冗余；

数据传输方式：水声遥测；

遥测参数：温度、压力、水下电池电量等；

遥测精度：温度±1℃，压力±1psi；

遥测周期：1s可按照1s的整数倍设置；

遥测误码率：小于10-5RMS；

遥测最大距离：5000m；

遥测最大深度：4000m；

工作频段：9kHz～14kHz；

通讯接口：RS232/RS485；

工作时间：连续工作大于2年水下现场更换电池方式；

工作温度：-10℃～50℃；

存储温度：-20℃～80℃；

可靠性：MTBF≥500h；

维修性：MTTR≤2h。

上述设计结构的一种深海油田井口防喷器应急声呐监控系统及方法在进行使用之前，需要将其加以安装作为备用。

如图1所示，安装之前，该一种深海井口应急声呐监控系统属于应急封井装置的配套系统，主要由安装在水下应急封井装置上的水下单元1，以及在钻井平台或水面船只上吊放使用的甲板单元2两部分组成。

安装时，事先在应急封井装置上安装水下单元1，需要对水下井口参数进行实时监测或遥控时，可在平台上吊放甲板单元2的水面换能器阵20，连接相关设备，通过数据融合显控软件模块26实现深海井口数据的实时监测、遥控等操作。系统原理及组成结构见图1和图2所示。

具体的安装是，水下单元1安装在应急封井装置平台上，由水下换能器阵10、前置放大器11、模拟处理器12、数字处理器13、编码发射机14、井口传感器15、水下可读仪表16、深度传感器17、内部电池18、水下电池19 构成。其中前置放大器11、模拟处理器12、数字处理器13、编码发射机14 和内部电池18等组部件集成安装在声呐电子舱内，水下换能器阵10、井口传感器15、水下可读仪表16、深度传感器17和水下电池19为独立结构。系统组成连接示意见图3和图9所示。

水面换能器阵(20)用于负责水声信号的发射和接收，水面前置放大器(21)用于水面换能器阵(20)接收水声信号的前置放大处理，水面模拟处理器(22)和水面数字处理器(23)用于负责水面前置放大器(21)输出信号的模拟滤波及数字信号处理；水面数字处理器(23)结果数据传送至控制机(24)，控制机(24)根据控制算法将接收信息进行综合处理，其中水面换能器阵(20)接收信息传送至数据融合显控软件模块(26)进行数据处理和图形化显示；其中数据融合显控软件模块(26)的控制命令传送至控制机 (24)处理后，发送至水面编码发射机(25)进行水声信号编码，之后通过水面换能器阵(20)进行编码水声信号发射；外部接口(27)用于本系统与其他系统之间的数据交互使用，甲板控制机(28)和收放机构(29)用于水面换能器阵(20)的水面布放操控。

所述甲板单元(2)采用AC220V供电方式；所述水面换能器阵(20)、水面前置放大器(21)、水面模拟处理器(22)、水面数字处理器(23)、控制机(24)和水面编码发射机(25)集成安装在水面换能器水密舱(6)内，数据融合显控软件模块(26)和外部接口(27)以及甲板控制机(28)集成在便携式甲板安全箱(7)内，水下换能器阵(10)和水面换能器阵(20) 均为收发分置结构，同时可进行发射和接收；收放机构(29)为独立机构；

且所述甲板单元(2)采用电缆连接吊放方式进行使用时布放至水下，布放深度需超过平台吃水深度，通过承重电缆将水面换能器阵(20)与后续相关处理设备相连接，用户可直接在信号处理设备箱内的数据融合显控软件模块(26)上对水下单元进行操控，进行井口数据采集与水声遥测，应急封井装置控制端开关量输出回路控制操作，且数据融合显控软件模块(26)上实时显示水声遥测的井口深度、温度、压力等信息，并可将相关测试信息进行图表化显示。

甲板单元2布置在水面平台如钻井平台、水面船只等上，由水面换能器阵20、水面前置放大器21、水面模拟处理器22、水面数字处理器23、控制机24、水面编码发射机25、数据融合显控软件模块26、外部接口27、甲板控制机28、收放机构29构成。其中水面换能器阵20、水面前置放大器21、水面模拟处理器22、水面数字处理器23、控制机24、水面编码发射机25集成安装在水面换能器水密舱内，数据融合显控软件模块26、外部接口27、甲板控制机28集成在便携式甲板安全箱内，收放机构29为独立机构。系统按照安装位置又可分为水面和水下两部分，系统组成连接示意见图3和图9 所示。

考虑到水下井口特殊工作环境，以及应急封井装置结构对水声信号的遮挡等实际工作情况，水下单元1的水下换能器阵10为冗余热备份结构，分别安装在水下应急封井装置的左右支架上，水下单元1安装详见图1和图4 所示。

甲板单元2采用电缆连接吊放方式进行使用时布放至水下布放深度需超过平台吃水深度，通过承重电缆将水面换能器阵20与后续相关处理设备如收放机构29、便携式甲板安全箱等相连接，用户可直接在信号处理设备箱内的数据融合显控软件模块26上对水下单元进行操控，进行井口数据采集与水声遥测，DO阀应急封井装置控制端开关量输出回路控制等操作。在便携式甲板安全箱内的数据融合显控软件模块26上实时显示水声遥测的井口深度、温度、压力等信息，并可将相关测试信息进行图表化显示。甲板单元2吊放方式见图7所示，系统数据融合显控软件模块26主界面见图8所示。

深海井口应急声呐监控系统主要功能有两种，一是用户指令的远程水声遥控，二是井口状态参数的实时水声遥测。

远程水声遥控包括如下步骤：

S1，系统水下单元1安装布放至井口，并且甲板单元2布放完成后，开启功能自检，即水下单元1与甲板单元2进行互联通讯，自检结束且正常后，用户操控甲板单元2的数据融合显控软件模块26进行指令信息传送操作；

S2，用户指令的数字信息通过串口实时传送至控制机24，控制机24实时采集当前GPS/北斗等外设信息融合后综合编码发送至水面编码发射机25，水面编码发射机25生成用户指令及相关信息的声学模拟信号，通过功率放大后将上述编码模拟信号加载至水面换能器阵20的发射换能器端转成声学信号发射至水下；

S3，水下单元1的水下换能器阵10接收到甲板单元2发射的用户指令编码信号，经前置放大器11、模拟处理器12后形成整形、滤波和调整后模拟信号；

S4，上述模拟信号传送至水下单元1的数字处理器13，经过A/D采集、频谱分析和互相关处理等计算后，解调甲板单元2发射的用户指令信息，确认后执行相关控制操作，对应编码信息进行井口电磁阀DO回路端口的相应控制；

S5，控制完成后，检测井口工作状态数据，并将状态信息编码发射出去，给甲板单元2进行应答，完成本次水声遥控操作。

井口状态参数的实时水声遥测包括如下步骤：

A1，水下单元1的数字处理器13按照设定的周期，且通过采用数字堆栈技术，其定时遥测周期最小可设置为1s，采集井口传感器15、深度传感器17的当前参数信息，将上述参数信息进行数字化处理形成当前状态参数数字流；

A2，数字处理器13将上述数字流加入约定的编码结构，以及相应的校验码，生成综合编码模拟信号，并将该模拟信号传送至水下换能器阵10的发射换能器端，经功率放大后形成水声信号发射至水中；

A3，甲板单元2通过吊放的水面换能器阵20内接收换能器实时接收到水下单元1发射的编码声信号，同样经水面前置放大器21、水面模拟处理器 22、水面数字处理器23后，解码获得井口当前状态信息；

A4，水面数字处理器23将经过解调和初步滤波等处理后的数字信息传送至控制机24，控制机融合外设数据再次处理后在数据融合显控软件模块 26端进行图形化显示，完成本次水声遥测。

通常情况下，通用产品的上述水声遥控和遥测两种功能是不能同时进行的，主要是为了避免同一频带内的声信号干扰和叠加对水声系统造成干扰。本系统为全双工设计，即水声遥控和遥测可是同时进行。主要设计措施是：一是硬件上采用收发独立设计，如水下换能器阵10和水面换能器阵20均为收发分置结构，同时可进行发射和接收；二是软件上对国际通用声信号频带进行频率块区分，如9kHz～11kHz为遥控频带，12kHz～14kHz为遥测频带。同时，结合水声信号的编码信息进行遥测与遥控的再次联合区分，确保全双工功能的可靠实现。

另外，由于海上钻井平台在工作情况下，其振动等噪声等干扰较为严重，对水声遥测信号会造成一定的影响，甚至降低水声遥测的可靠性和测量精度。因此，在甲板单元及水下单元的水声换能器阵上采用多元阵列结构，在水声遥测信道上形成一定的波束，降低环境干扰，提高水声遥测的信噪比，再次提高系统水声遥测精度及可靠性。

深海油田井口防喷器应急声呐监控方法

一种深海油田井口防喷器应急声呐监控方法，该监控方法包括如下步骤：

步骤一，将水下单元1固定安装在深海井口应急封井装置3上，通过水密连接缆与对应的封井装置传感器、受控组件设备相连接，水下单元1随深海井口应急封井装置3一同布放至深海井口；

步骤二，在平台上，利用收放机构29将甲板单元2的水面换能器阵20 吊放至水下约25m及以下且大于平台吃水深度，通过数据融合显控软件模块 26进行井口状态参数实时显示，以及用户指令的实时传输；

步骤三，待测控工作至完成后，通过收放机构29回收甲板单元2的水面换能器阵20及相关设备，完成本次工作。

在本发明中，封井装置传感器主要是指安装在井口上的温度、压力传感器，通过水密连接缆与水下单元(1)相连接，封井装置传感器属于现场测量设备。受控组件设备主要是指安装在井口封井装置上的切换控制组件，同样通过水密连接缆与水下单元(1)相连接，受控组件设备属于现场操控设备。

进一步的，监控方法采用基于应答式的水声遥测与遥控方式，结合时频编码与综合分集技术实现深海井口工作参数的实时遥测，以及用户指令的及时遥控。

如上所述，深海井口应急声呐监控方法主要是采用多阵元换能器阵结构，结合水声信号时频编码加综合分集等信号处理技术，实时将水下应急封井装置井口温度/压力等传感信息数据进行高精度编码14bit，利用水声遥测技术实时传输井口温度/压力传感器测量数据。同理，利用上述方法实现用户操控指令及时传送至水下井口，完成及时可靠的远程水声遥控操作。

水下单元1采用电池供电方式，可利用ROV8进行深海现场更换；甲板单元2采用AC220V供电方式，亦可短时采用内部防爆可充电电池供电。其中甲板单元2主要处理设备安装在防水IP67、防爆便携式甲板安全箱内，电子电路均进行电磁屏蔽设计，避免复杂工控环境下的电磁干扰。系统具体工作时可对水下单元1进行唤醒方式平时为休眠状态进行启动测量，减少能量损耗及人工操作复杂度。另外，甲板单元2不仅可接入北斗/GPS等外设，同时亦可增加软件数据库。在系统实时解算和接收遥测信息并连续存储的基础上，加入数据管理，具有更强大的数据组织、用户管理、安全检查等功能，为后续长期观测数据的高效查询与分析利用提供软件支持。系统电路单线图见图9所示。

深海井口应急声呐监控方法主要涉及多元换能器阵、时频编码加综合分集、深海供电自动切换，以及独立深海可读仪表显控等相关技术。

多阵元换能器结构

水下单元1的水下换能器阵10采用深海耐压组合结构，确保满足4000m 海深的使用要求。内部采用充油式镶拼环换能器，采用2+22个接收，2个发射结构兼顾全双工收发功能，换能器尺寸约为Φ210mm×350mm。其主要技术指标如下：

带宽：9kHz～14kHz与国际产品频带相同；

发射响应：≥136dB；

发射阵扇面：≥120°-3dB全束宽；

接收阵灵敏度：≥-195dB；

耐压：≥40Mpa对应4000m海深；

尺寸：≤Φ210mm×350mm兼容国际产品安装结构；

重量：≤20kg。

甲板单元2可以移动，即在水面平台上，应急处理时可便携布置。内部设计有防爆电池，短时工作无需外接电源，具有较高的可靠性和实用性。甲板单元2的水面换能器阵20主要由吊放式换能器基阵、密封舱体两部分组成。水面换能器阵20主要用于发射声信号含查询及控制命令，采用8+1阵元8个接收，1个发射结构。水面换能器阵20阵主要设计技术指标如下：

带宽：9kHz～14kHz；

发射响应：≥136dB；

发射阵扇面：≥120°-3dB全束宽；

8元接收阵灵敏度：≥-195dB一致性起伏≤3dB；

耐压：2Mpa对应吊放200m海深，满足现有平台吃水深度需求；

尺寸：≤Φ380mm*530mm；

重量：≤36kg。

水声信号时频编码加综合分集技术

在常规水声遥测与遥控系统工程中，除了各种环境噪声、工业噪声外，由于海洋水声信道存在海面、海底和海水不均匀性，使得声波发生反射和折射，导致在发射和接收之间存在多个传播途径。多途径传播将引起声信号的码间干扰，改变码元波形和产生误码，从而降低系统的可靠性和通信速率。

水声工程中多采用遥测编码信号中加入标识码，同时进行相关调制编码的方式，降低多途干扰。本系统方法考虑到使用深海环境的特殊性深海且井口存在多种噪声，在常规时频编码方法中加入综合分集技术，基于系统中水下单元1与甲板单元2之间的应答工作模式，将水声信号进行时间分集，同时利用多元换能器阵列进行空间分集，加上频率分集等综合处理技术，增强水声遥测精确度与遥控可靠性。

时频编码主要是指将井口状态参数如水深、压力、温度等进行声脉冲频率和脉冲间隔时间编码，利用单频脉冲信号CW和线性调频脉冲信号±LFM进行频率编码，利用CW与CW、LFM与LFM，或者CW与LFM之间的时间间隔进行编码，获得不小于14bit的编码值，具体声信号编码方式见图10所示。

如图10所示，帧信号是指本信标信号的第一个脉冲组，行信号为除帧信号外的其它脉冲组。图8中P01、P02、P03分别指第一组脉冲信号的第一、第二和第三脉冲信号，P11、P12、P13为第二组，以此类推。为了提高水声遥测的实时性，便于用户对水下井口状态信息的实时掌握，这里采用大周期应答，小周期定时重复发射方案，这里称为“数字堆栈”。即T0大周期进行水下单元1和甲板单元2的正常应答通信，而T1小周期采用重复堆栈式发射，无需应答，从而解决声学测量周期受应答距离限制问题，提高水声遥测的数据率。

分集，即diversity是一种有效的通信方式，可以补偿水下衰落信道造成的不利影响，和数字均衡器在数字通信系统中插入一种可调滤波器可以校正和补偿系统特性，减少码间干扰的影响一起使用时，可以明显提高水声通信的质量。也就是说如果一个水声路径经历深度衰落，那么另一个独立的路径可能就会有一个比较强的信号，这个强信号路径即可被选出。一旦有多个路径被选择出来，接收端的瞬时信噪比和平均信噪比就可得到改善。一般情况，改善的幅度大于10dB。

时间分集是将同一信号相隔一定的时隙进行多次重发，将各次发送的时间间隔大于信道的相干时间，则在接收端就可以获得衰落特性相互独立的几个信号，这样不同的码元会经历不同的衰落，在接收端进行合并，从而提高系统增益。空间分集是在水下发射和水面接收端均设计有多个发射和接收点，利用信号合并叠加处理从而实现空间分集。频率分集与时间分集类似，时间分集是在不同的相干时间内发送同一信号，频率分集在不同的相干带宽内发送同一信号。即不同的相干带宽内的频率不再是平坦衰落，整个信号带宽大于相干带宽Wc。不同频率衰落统计特性上的差异，来实现抗频率选择性衰落的功能。结合时间分集、空间分集多阵元换能器阵硬件支持和频率分集形成特有的综合分集技术，在不增加系统功率高功率对应高功耗，对电池供电不利的基础上，提高系统增益，为系统水声遥测与遥控精度和可靠性的提高奠定基础。

假设每个接收端分集为M个独立的Rayleigh瑞利分布，每个信道称为分集支路。进一步假设每个支路具有相同的平均信噪比为：

SNR＝Γ……………………1

每个支路的瞬时信噪比为γi，则γi的概率分布密度为：

式中Γ为每个支路的平均信噪比，单个支路具有小于某个阀值γ的概率为：

所有M个独立分集支路接收信号均小于某个信噪比阀值γ的联合概率PM γ可表示为：

至少一个支路到达SNR>γ的概率为：

如上所述，理论分析信噪比高达25dB以上，但考虑到水声环境及现场其他干扰，预计平均信噪比为Γ＝20dB，根据常用水声工程经验，在γ为5dB～ 6dB的信噪比下，水声遥测信息即可得到充分解算，则绘制其通过空间分集计算仿真分析结果，不同接收阵元个数采用分集处理方法，获得其误码率曲线如图11所示。

如图11所示，假设平均信噪比设定为6dB，经过分集提高至12dB，检测误码率可达10-6附近。可见，系统采用的八阵元分集在采用基本的分集处理即可满足10-5的误码率要求，满足系统遥测误码率技术指标要求。

深海供电自动切换

水下单元1采用水下电池19和内部电池18联合供电，两个独立电池采用电控切换电路控制，而井口传感器15、水下可读仪表16等外设由相应电路受控供电测量。水下单元1的内外电池切换原理图见图12和图13所示。

内部电池18采用2.5Ah三元电池成组，切换开关为大电流磁保持继电器和电磁继电器组成。电池内部短路保护采用自恢复保险装置，传统保险丝过流保护，仅能保护一次，烧断了需更换，这对本系统水下设备来讲，存在可操作性差，且不易实施等缺点，而自恢复保险丝具有过流过热保护，自动恢复双重功能，适合本系统的电池过流保护设计。因此，内部采用自恢复保险丝进行电池过流保护。

外部电池19充放电由内部电路中两个串联的MOSFET控制线路通断。电池在对负载正常放电过程中，放电电流在经过串联的两个MOSFET时，由于 MOSFET的导通阻抗，会在其两端产生一个电压，该电压值U＝I×RDS×2，RDS 为单个MOSFET导通阻抗。电池内部控制器对该电压值进行检测，若负载因某种原因导致异常，使回路电流增大，当压降U大于设定值时，MOSFET关断，从而切断了放电回路，使回路中电流为零，起到过电流保护作用。电池由于短路或过流保护后，需要断开负载，电池解除保护。

如图12和图13所示，系统采用两组独立电池自动切换方式，可在钻井平台进行ROV现场水下电池更换作业时，系统可自动切换为内部电池供电，确保在更换水下电池时仍具备相应的水声遥测与遥控功能。更为重要的是，切换电路可直接切断水下电池19内部连接，确保ROV深海现场更换电池时，裸露在海水中的湿式插拔连接器，见图3所示，端口无电压、电流，具备更高的安全性。

独立深海可读仪表

水下单元1上安装深海可视仪表，用于应急处理时，ROV水下现场观察井口工作状态，读取相关数据，及时操控。水下可读仪表采用是一种LED矩阵显示器，外壳为透光耐压水密舱，可以从各种设备读取相关信息，并以固定方式或滚动文本显示数据。该仪表由高亮LED矩阵组成，矩阵显示颜色设定为绿色，便于深海下观察。该仪表可以通过光敏照射而激活，并具备自动休眠功能，亦可通过程序向仪表发送控制命令实现。整个仪表安置在一个独特的保护套管内，可在深海4000m水下长期稳定工作。

为了进一步提高系统可靠性，该系统将国际通用的仪表控制设计为独立工作模式，即可在水下单元1的控制下进行工作，又能在系统水下单元1故障时独立工作。该设计可确保在恶略环境或极端状态下，即使系统水下单元 1完全故障，亦能正常工作，为ROV在上述极端情况下正常观察井口状态可视化参数提供保障。主要特点是：一是仪表光敏控制为前后联合控制模式，确保ROV在不同角度光照下可靠激活显示；二是仪表对应的井口传感器15、深度传感器17均为独立控制模式，确保在水下单元1故障时仍能获得传感数据并进行水下仪表显示。

工程样机研制

依据本发明涉及的系统和方法研制工程样机，并在深海应急封井装置上进行匹配安装测试。水下单元采用双热备份冗余设计方案，甲板单元主要组部件采用多阵元和双备份组合式模块化结构，以提高系统可靠性。研制的工程样机主要实物见图14至图17所示。

湖海试验验证

针对系统关键技术问题进行湖海试验测试，完成系统工程样机研制，并对整套样机分别进行湖上和海上试验测试，测试结果满足上述技术指标要求，达到国际先进产品的性能，部分功能及指标甚至超过国外同类产品，如控制接口数量、水下电池寿命等。

由于，当前钻井平台均采用国外产品标配，国外产品几乎垄断了水下钻井平台的声呐控制市场。因此，本发明专利涉及的水下井口安装结构、声学频带等需与国外产品相兼容，以便于井口设备安装和替换使用。与国外标准产品相比较，本发明专利研制的系统在基本相同的结构和尺寸下，获得了更多的工作时间和更强的功能，与国外先进产品比对情况见表2所示。

表2国内外水下防喷器紧急备用声呐控制系统/产品比对表

综上所述，本发明专利在当前国外产品主导市场现状下，采用声学时频编码遥测遥控结合综合分集处理等相关技术，在国际通用声学频段内，并与国外产品安装结构一致等限制条件下，不仅可实现应急控制指令的远程实时遥控，还可对水下井口状态参数进行实时水声监测与图表化显示，为海洋钻井井喷失控应急抢险作业提供关键参数的可视化监控提供技术手段。

在本发明中，吃水深度主要是指船只/水面平台浸在水里的深度。

在本发明中，在注塑层上注塑有高分子耐磨材料；防锈层包括环氧富锌底漆和氯化橡胶面漆以及位于环氧富锌底漆和氯化橡胶面漆之间的环氧云铁中间漆；防水层为聚氨酯防水涂料；警示层为黄色或黑色的反光警示带或反光色膜或反光漆；水面平台4为海上钻井平台或是水面船只等。

同时，在本发明中，所指的连接均为固定连接或者是活动连接或可拆卸连接，其中，固定连接为焊接连接或者是直接加工为一体成型结构；活动连接或可拆卸连接为铰接连接、螺纹连接、卡口连接、插拔连接。

工程实施例

本发明已在国家重点研发计划课题《水下应急封井装置及其配套工艺技术》课题编号为2017YFC0804506中进行配套研制，并经过湖海试验验证，实施方式为结合具体项目的自行实施，并在自行实施应用中取得了较大的成功。

本发明在具体实施方式中具有的优点是：

1、本发明在国际通用的水下设备采用冗余热备份结构基础上，增加水下单元1的内部电池18及相关控制设计，通过级联切换方式实现内部电池 18与水下电池19的自动切换供电，解决ROV进行水下电池19现场更换时，系统无法连续工作问题；

2、本发明的水下单元1具备深海光控水下可读仪表16独立结构设计，可在ROV现场光照下启动工作状态，完成井口状态参数的实时显示。水下可读仪表16与井口传感器15、深度传感器17相连接，可在数字处理器13故障时仍正常工作，进一步提高系统可靠性；

3、本发明解决了传统的通常情况下，通用产品的上述水声遥控和遥测两种功能是不能同时进行的，主要是为了避免同一频带内的声信号干扰和叠加对水声系统造成干扰的技术难题，本发明为全双工设计，实现了水声遥控和遥测可以同时进行；

4、本发明硬件上采用收发独立设计，如水下换能器阵10和水面换能器阵20均为收发分置结构，同时可进行发射和接收；软件上对国际通用声信号频带进行频率块区分，如9kHz～11kHz为遥控频带，12kHz～14kHz为遥测频带，同时，结合水声信号的编码信息进行遥测与遥控的再次联合区分，确保全双工功能的可靠实现。

最后，需要说明的是，以上对本发明所提供的一种深海油田井口防喷器应急声呐监控系统及方法进行了详细介绍，本文中对本发明的原理进行了描述，以上工作原理的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种深海油田井口防喷器应急声呐监控系统，包括安装在井口应急封井装置(3)上的水下单元(1)和放置在水面平台(4)上的甲板单元(2)，水下单元(1)和甲板单元(2)协同工作用于实现用户指令的远程水声遥控以及井口状态参数的实时水声遥测，其特征在于：所述水下单元(1)与所述甲板单元(2)是通过水声编码通信方式实现远程水声遥控及实时水声遥测的；其中，所述水下单元(1)包括集成设置于声呐电子舱(5)内且通过导线信号连接的水下换能器阵(10)、信号处理机构、井口传感器(15)、水下可读仪表(16)、深度传感器(17)、内部电池(18)和水下电池(19)，其中，水下换能器阵(10)和水下可读仪表(16)以及水下电池(19)通过水密连接缆与声呐电子舱(5)一边端盖连接，声呐电子舱(5)另一边端盖通过水密连接缆与井口传感器(15)和深度传感器(17)进行水密连接；所述水下换能器阵(10)用于负责水声信号的接收和发射；信号处理机构用于负责水声信号的分析处理。

2.根据权利要求1所述的一种深海油田井口防喷器应急声呐监控系统，其特征在于：所述甲板单元(2)包括水面换能器阵(20)、水面前置放大器(21)、水面模拟处理器(22)、水面数字处理器(23)、控制机(24)、水面编码发射机(25)、数据融合显控软件模块(26)、外部接口(27)、甲板控制机(28)以及收放机构(29)，其中，甲板单元(2)安装在水面平台(4)上，收放机构(29)通过水密承重电缆一端连接水面换能器水密舱(6)，水密承重电缆另一端连接便携式甲板安全箱(7)进行显示与控制；

所述信号处理机构包括水下换能器阵(10)、前置放大器(11)、模拟处理器(12)和数字处理器(13)以及编码发射机(14)，其中，水下换能器阵(10)接收端通过水密连接缆与前置放大器(11)输入端连接，前置放大器(11)输出端线缆连接模拟处理器(12)输入端，模拟处理器(12)输出端与数字处理器(13)输入端连接，数字处理器(13)输出端与编码发射机(14)输入端连接，编码发射机(14)输出端连接水下换能器阵(10)发射端。

3.根据权利要求1所述的一种深海油田井口防喷器应急声呐监控系统，其特征在于：所述水面数字信号处理机构包括水面换能器阵(20)、水面前置放大器(21)、水面模拟处理器器(22)、水面数字处理器(23)、控制机(24)、水面编码发射机(25)、数据融合显控软件模块(26)、外部接口(27)和甲板控制机(28)以及收放机构(29)，其中，

水面换能器阵(20)接收端经水密连接缆与水面前置放大器(21)输入端连接，水面前置放大器(21)输出端与水面模拟处理器器(22)输入端通过线缆连接，水面模拟处理器器(22)输出端与水面数字处理器(23)输入端连接，水面数字处理器(23)输出端与控制机(24)连接，控制机(24)通过数据融合显控软件模块(26)和外部接口(27)与甲板控制机(28)相连，进行用户终端显控，控制机(24)通过线缆与水面编码发射机(25)输入端连接，将用户指令编码通过水面编码发射机(25)生成编码模拟信号传至水面换能器阵(20)发射端进行声信号发送。收放机构(29)绕接承重水密连接缆与水面换能器阵(20)相连接，负责水面换能器阵(20)的海面布放。

4.根据权利要求3所述的一种深海油田井口防喷器应急声呐监控系统，其特征在于：所述水面换能器阵(20)、水面前置放大器(21)、水面模拟处理器器(22)、水面数字处理器(23)、控制机(24)和水面编码发射机(25)集成安装在水面换能器水密舱(6)内，数据融合显控软件模块(26)和外部接口(27)以及甲板控制机(28)集成在便携式甲板安全箱(7)内，水下换能器阵(10)和水面换能器阵(20)均为收发分置结构，同时可进行发射和接收；收放机构(29)为独立机构。

5.根据权利要求1所述的一种深海油田井口防喷器应急声呐监控系统，其特征在于：所述水下单元(1)采用电池供电方式；所述水下换能器阵(10)为冗余热备份结构水和深海耐压组合结构，总数量设置为两个，两个水下换能器阵(10)分别安装在水下应急封井装置的左右支架上，且内部采用充油式镶拼环换能器，采用两个接收加两个发射的结构兼顾全双工收发功能；所述水下换能器阵(10)、井口传感器(15)、水下可读仪表(16)、深度传感器(17)和水下电池(19)均为独立结构。

6.根据权利要求1所述的一种深海油田井口防喷器应急声呐监控系统，其特征在于：所述水下单元(1)上还安装有深海可视仪表，深海可视仪表用于应急处理时，ROV水下现场观察井口工作状态，读取相关数据，及时操控；在水下单元(1)外表面上均从内至外依序喷涂有注塑层和防锈层以及防水层；在甲板单元(2)的外表面上均从内至外依序喷涂有注塑层和防锈层以及警示层，警示层上涂有荧光粉。

7.根据权利要求6所述的一种深海油田井口防喷器应急声呐监控系统，其特征在于：所述甲板单元(2)采用AC220V供电方式；

且所述甲板单元(2)采用电缆连接吊放方式进行使用时布放至水下，布放深度需超过平台吃水深度，通过承重电缆将水面换能器阵(20)与后续相关处理设备相连接，用户可直接在信号处理设备箱内的数据融合显控软件模块(26)上对水下单元进行操控，进行井口数据采集与水声遥测，应急封井装置控制端开关量输出回路控制操作，且数据融合显控软件模块(26)上实时显示水声遥测的井口深度、温度、压力等信息，并可将相关测试信息进行图表化显示。

8.根据权利要求1至5任意一项权利要求所述的一种深海油田井口防喷器应急声呐监控系统，其特征在于，所述远程水声遥控的方法包括如下步骤：

S1，系统水下单元(1)安装布放至井口，并且甲板单元(2)布放完成后，开启功能自检，即水下单元(1)与甲板单元(2)进行互联通讯，自检结束且正常后，用户操控甲板单元(2)的数据融合显控软件模块(26)进行指令信息传送操作；

S2，用户指令的数字信息通过串口实时传送至控制机(24)，控制机(24)实时采集当前GPS/北斗等外设信息融合后综合编码发送至水面编码发射机(25)，水面编码发射机(25)生成用户指令及相关信息的声学模拟信号，通过功率放大后将上述编码模拟信号加载至水面换能器阵(20)的发射换能器端转成声学信号发射至水下；

S3，水下单元(1)的水下换能器阵(10)接收到甲板单元(2)发射的用户指令编码信号，经前置放大器(11)、模拟处理器(12)后形成整形、滤波和调整后模拟信号；

S4，上述模拟信号传送至水下单元(1)的数字处理器(13)，经过A/D采集、频谱分析和互相关处理等计算后，解调甲板单元(2)发射的用户指令信息，确认后执行相关控制操作，对应编码信息进行井口电磁阀DO回路端口的相应控制；

S5，控制完成后，检测井口工作状态数据，并将状态信息编码发射出去，给甲板单元(2)进行应答，完成本次水声遥控操作。

9.根据权利要求1至5任意一项权利要求所述的一种深海油田井口防喷器应急声呐监控系统，其特征在于，所述实时水声遥测的方法包括如下步骤：

A1，水下单元(1)的数字处理器(13)按照设定的周期，且通过采用数字堆栈技术，其定时遥测周期最小可设置为1s，采集井口传感器(15)、深度传感器(17)的当前参数信息，将上述参数信息进行数字化处理形成当前状态参数数字流；

A2，数字处理器(13)将上述数字流加入约定的编码结构，以及相应的校验码，生成综合编码模拟信号，并将该模拟信号传送至水下换能器阵(10)的发射换能器端，经功率放大后形成水声信号发射至水中；

A3，甲板单元(2)通过吊放的水面换能器阵(20)内接收换能器实时接收到水下单元(1)发射的编码声信号，同样经水面前置放大器(21)、水面模拟处理器器(22)、水面数字处理器(23)后，解码获得井口当前状态信息；

A4，水面数字处理器(23)将经过解调和初步滤波等处理后的数字信息传送至控制机(24)，控制机融合外设数据再次处理后在数据融合显控软件模块(26)端进行图形化显示，完成本次水声遥测。

10.一种深海油田井口防喷器应急声呐监控方法，其特征在于：该监控方法包括如下步骤：

步骤一，将水下单元(1)固定安装在深海井口应急封井装置(3)上，并通过水密连接缆与对应的封井装置传感器、受控组件设备相连接，水下单元(1)随深海井口应急封井装置(3)一同布放至深海井口；

步骤二，在平台上，利用收放机构(29)将甲板单元(2)的水面换能器阵(20)吊放至水下约25m及以下且大于平台吃水深度，通过数据融合显控软件模块(26)进行井口状态参数实时显示，以及用户指令的实时传输；

步骤三，待测控工作至完成后，通过收放机构(29)回收甲板单元(2)的水面换能器阵(20)及相关设备，完成本次工作；

所述监控方法采用基于应答式的水声遥测与遥控方式，结合时频编码与综合分集技术实现深海井口工作参数的实时遥测，以及用户指令的及时遥控。

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